Transcriptional functions of DNA Topoisomerases at a genome-wide scale and a single gene levels

The DNA topology is an important modifier of DNA functions. Torsional stress is generated when right handed DNA is either over- or underwound, producing structural deformations which drive or are driven by processes such as replication, transcription, recombination and repair. DNA topoisomerases are molecular machines that regulate the topological state of the DNA in the cell. These enzymes accomplish this task by either passing one strand of the DNA through a break in the opposing strand or by passing a region of the duplex from the same or a different molecule through a double-stranded cut generated in the DNA. Because of their ability to cut one or two strands of DNA they are also target for some of the most successful anticancer drugs used in standard combination therapies of human cancers. An effective anticancer drug is Camptothecin (CPT) that specifically targets DNA topoisomerase 1 (TOP 1). The research project of the present thesis has been focused on the role of human TOP 1 during transcription and on the transcriptional consequences associated with TOP 1 inhibition by CPT in human cell lines. Previous findings demonstrate that TOP 1 inhibition by CPT perturbs RNA polymerase (RNAP II) density at promoters and along transcribed genes suggesting an involvement of TOP 1 in RNAP II promoter proximal pausing site. Within the transcription cycle, promoter pausing is a fundamental step the importance of which has been well established as a means of coupling elongation to RNA maturation. By measuring nascent RNA transcripts bound to chromatin, we demonstrated that TOP 1 inhibition by CPT can enhance RNAP II escape from promoter proximal pausing site of the human Hypoxia Inducible Factor 1 (HIF-1) and c-MYC genes in a dose dependent manner. This effect is dependent from Cdk7/Cdk9 activities since it can be reversed by the kinases inhibitor DRB. Since CPT affects RNAP II by promoting the hyperphosphorylation of its Rpb1 subunit the findings suggest that TOP 1inhibition by CPT may increase the activity of Cdks which in turn phosphorylate the Rpb1 subunit of RNAP II enhancing its escape from pausing. Interestingly, the transcriptional consequences of CPT induced topological stress are wider than expected. CPT increased co-transcriptional splicing of exon1 and 2 and markedly affected alternative splicing at exon 11. Surprisingly despite its well-established transcription inhibitory activity, CPT can trigger the production of a novel long RNA (5’aHIF-1) antisense to the human HIF-1 mRNA and a known antisense RNA at the 3’ end of the gene, while decreasing mRNA levels. The effects require TOP 1 and are independent from CPT induced DNA damage. Thus, when the supercoiling imbalance promoted by CPT occurs at promoter, it may trigger deregulation of the RNAP II pausing, increased chromatin accessibility and activation/derepression of antisense transcripts in a Cdks dependent manner. A changed balance of antisense transcripts and mRNAs may regulate the activity of HIF-1 and contribute to the control of tumor progression After focusing our TOP 1 investigations at a single gene level, we have extended the study to the whole genome by developing the “Topo-Seq” approach which generates a map of genome-wide distribution of sites of TOP 1 activity sites in human cells. The preliminary data revealed that TOP 1 preferentially localizes at intragenic regions and in particular at 5’ and 3’ ends of genes. Surprisingly upon TOP 1 downregulation, which impairs protein expression by 80%, TOP 1 molecules are mostly localized around 3’ ends of genes, thus suggesting that its activity is essential at these regions and can be compensate at 5’ ends. The developed procedure is a pioneer tool for the detection of TOP 1 cleavage sites across the genome and can open the way to further investigations of the enzyme roles in different nuclear processes.

Strukturelle und funktionelle Untersuchungen zur Bedeutung der endogenen retroviralen Insertion HERV-K(C4) im C4-Gen des Menschen

Der Längenpolymorphismus des C4-Gens beruht auf der An- oder Abwesenheit einer 6.4 kb langen Insertion im Intron 9. Es handelt sich dabei um einen eigenständigen bisher noch nicht beschriebenen Virus-Typ, der alle Sequenzmerkmale der Familie der humanen endogenen Retroviren (HERV) trägt und zu den HERV-K Viren gehört. Der Provirus wurde als HERV-K(C4) bezeichnet. Die Orientierung dieses retroviralen Elements ist entgegengesetzt zu der Transkriptionsrichtung des C4-Gens. Mittels RT-PCR, RNase Protection Assays und Northern-Blot Analysen konnte der Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense mRNA-Transkripten in verschiedenen humanen Zellinien und Geweben erbracht werden. Die retroviralen Transkripte schlossen am 5'- und 3'-Ende Sequenzen des C4-Exon 9 und Exon 10 ein, so daß diese wahrscheinlich "readthrough" Transkripte darstellen, die durch einen 5' des LTR2 gelegenen Promotor initiiert oder im Zusammenhang mit der C4-Expression transkribiert und reguliert werden. Weiterhin konnten insgesamt 4 HERV-K(C4)-mRNA Spezies, einschließlich einer Vollängen-RNA detektiert werden. Die drei subgenomischen mRNAs werden vermutlich durch einfaches und mehrfaches Spleißen generiert. Die quantitative Analyse in verschiedenen humanen Zellinien ergab, daß HERV-K(C4) durchschnittlich mit einer Kopienanzahl zwischen ca.1 bis 100 Transkripten in einer Zelle vorkommt, so daß es sich um low abundance mRNAs handelt. Mittels eines Reportergen-System konnte eine Aktivität des LTR2-Promotors in der Sense-Orientierung des Retrovirus nachgewiesen werden, die nach Stimulation mit IFN- signifikant abnahm. Ein humanes Modell-Systems wurde etabliert, um die Theorie einer Antisense-Abwehr gegen exogene Retroviren in HepG2-Zellen zu überprüfen. Die Theorie basiert auf dem Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense-Transkripten, die über eine Heteroduplexbildung mit der Sense-mRNA von verwandten, infektiösen Retroviren eine mögliche Blockierung deren Translation erwirken könnten. Es konnte eine signifikante Abnahme der retroviralen Expression von bis zu 45% nach steigenden Dosen an IFN- in HepG2-Zellen nachgewiesen werden. Der funktionell aktive 3'-LTR-Sense Promotor sowie der Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense Transkripten sprechen für die bedeutende Rolle von HERV-K(C4) bei der Genregulation und Schutz gegen exogene Retroviren, wodurch eine Selektion stattgefunden hat.

Structural and functional analysis of centromeric chromatin

Animal neocentromeres are defined as ectopic centromeres that have formed in non-centromeric locations and avoid some of the features, like the DNA satellite sequence, that normally characterize canonical centromeres. Despite this, they are stable functional centromeres inherited through generations. The only existence of neocentromeres provide convincing evidence that centromere specification is determined by epigenetic rather than sequence-specific mechanisms. For all this reasons, we used them as simplified models to investigate the molecular mechanisms that underlay the formation and the maintenance of functional centromeres. We collected human cell lines carrying neocentromeres in different positions. To investigate the region involved in the process at the DNA sequence level we applied a recent technology that integrates Chromatin Immuno-Precipitation and DNA microarrays (ChIP-on-chip) using rabbit polyclonal antibodies directed against CENP-A or CENP-C human centromeric proteins. These DNA binding-proteins are required for kinetochore function and are exclusively targeted to functional centromeres. Thus, the immunoprecipitation of DNA bound by these proteins allows the isolation of centromeric sequences, including those of the neocentromeres. Neocentromeres arise even in protein-coding genes region. We further analyzed if the increased scaffold attachment sites and the corresponding tighter chromatin of the region involved in the neocentromerization process still were permissive or not to transcription of within encoded genes. Centromere repositioning is a phenomenon in which a neocentromere arisen without altering the gene order, followed by the inactivation of the canonical centromere, becomes fixed in population. It is a process of chromosome rearrangement fundamental in evolution, at the bases of speciation. The repeat-free region where the neocentromere initially forms, progressively acquires extended arrays of satellite tandem repeats that may contribute to its functional stability. In this view our attention focalized to the repositioned horse ECA11 centromere. ChIP-on-chip analysis was used to define the region involved and SNPs studies, mapping within the region involved into neocentromerization, were carried on. We have been able to describe the structural polymorphism of the chromosome 11 centromeric domain of Caballus population. That polymorphism was seen even between homologues chromosome of the same cells. That discovery was the first described ever. Genomic plasticity had a fundamental role in evolution. Centromeres are not static packaged region of genomes. The key question that fascinates biologists is to understand how that centromere plasticity could be combined to the stability and maintenance of centromeric function. Starting from the epigenetic point of view that underlies centromere formation, we decided to analyze the RNA content of centromeric chromatin. RNA, as well as secondary chemically modifications that involve both histones and DNA, represents a good candidate to guide somehow the centromere formation and maintenance. Many observations suggest that transcription of centromeric DNA or of other non-coding RNAs could affect centromere formation. To date has been no thorough investigation addressing the identity of the chromatin-associated RNAs (CARs) on a global scale. This prompted us to develop techniques to identify CARs in a genome-wide approach using high-throughput genomic platforms. The future goal of this study will be to focalize the attention on what strictly happens specifically inside centromere chromatin.

Charakterisierung zellulärer Interaktionspartner des großen Hüllproteins des Hepatitis-B-Virus

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand das große L-Hüllprotein (L) des Hepatitis B - Virus. L bildet eine ungewöhnliche duale Topologie in der ER-Membran aus, welche auch im reifen Viruspartikel erhalten bleibt. In einem partiellen, posttranslationalen Reifungsprozess wird die sogenannte PräS-Region von der zytosolischen Seite der Membran aus in das ER-Lumen transloziert. Aufgrund seiner dualen Topologie und der damit verbundenen Multifunktionalität übernimmt L eine Schlüsselfunktion im viralen Lebenszyklus. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag deshalb darin, neue zelluläre Interaktionspartner des L-Hüllproteins zu identifizieren. Ihre Analyse sollte helfen, das Zusammenspiel des Virus mit der Wirtszelle besser zu verstehen. Hierfür wurde das Split - Ubiquitin Hefe - Zwei - Hybrid System eingesetzt, das die Interaktionsanalyse von Membranproteinen und Membran-assoziierten Proteinen ermöglicht. Zwei der neu identifizierten Interaktionspartner, der v-SNARE Bet1 und Sec24A, die Cargo-bindende Untereinheit des CoPII-vermittelten vesikulären Transports, wurden weitergehend im humanen Zellkultursystem untersucht. Sowohl für Bet1 als auch für Sec24A konnte die Interaktion mit dem L-Hüllprotein bestätigt und der Bindungsbereich eingegrenzt werden. Die Depletion des endogenen Bet1 reduzierte die Freisetzung L-haltiger, nicht aber S-haltiger subviraler Partikel (SVP) deutlich. Im Gegensatz zu Bet1 interagierte Sec24A auch mit dem mittleren M- und kleinen S-Hüllprotein von HBV. Die Inhibition des CoPII-vermittelten vesikulären Transportweges durch kombinierte Depletion der vier Sec24 Isoformen blockierte die Freisetzung sowohl L- als auch S-haltiger SVP. Dies bedeutet, dass die HBV - Hüllproteine das ER CoPII-vermittelt verlassen, wobei sie aktiv Kontakt zur Cargo-bindenden Untereinheit Sec24A aufnehmen. Der effiziente Export der Hüllproteine aus dem ER ist für die Virusmorphogenese und somit für den HBV - Lebenszyklus essentiell. rnEin weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit basierte auf der Interaktion des L-Hüllproteins mit dem ER-luminalen Chaperon BiP. In der vorliegenden Arbeit wurde überprüft, ob BiP, ähnlich wie das zytosolische Chaperon Hsc70, an der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins beteiligt ist. Hierfür wurde BiP durch die ektopische Expression seiner Ko-Chaperone BAP und ERdj4 in seiner Substrat-bindenen Kapazität manipuliert. ERdj4, ein Mitglied der Hsp40 - Proteinfamilie, stimuliert die ATPase-Aktivität von BiP, was die Substratbindung stabilisiert. Der Nukleotid - Austauschfaktor BAP hingegen vermittelt die Auflösung des BiP - Substrat - Komplexes. Die Auswirkung der veränderten in vivo-Aktivität von BiP auf die posttranslationale PräS-Translokation wurde mit Proteaseschutz - Versuchen untersucht. Die ektopische Expression des positiven als auch des negativen Regulators von BiP resultierte in einer drastischen Reduktion der posttranslationalen PräS-Translokation. Ein vergleichbarer Effekt wurde nach Manipulation des BiP ATPase - Zyklus durch Depletion der zellulären ATP - Konzentration beobachtet. Dies spricht dafür, dass das ER-luminale Chaperon BiP, zusammen mit Hsc70, eine zentrale Rolle in der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins spielt. rnZwei weitere Proteine, Sec62 und Sec63, die sich für die posttranslationale Translokation in der Hefe als essentiell erwiesen haben, wurden in die Analyse der dualen Topologie des L-Hüllproteins einbezogen. Interessanterweise konnte eine rein luminale Ausrichtung der PräS-Region nach kombinierter Depletion des endogenen Sec62 und Sec63 beobachtet werden. Dies deutet an, dass sowohl Sec62 als auch Sec63 an der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins beteiligt sind. In Analogie zur Posttranslokation der Hefe könnte Sec62 als Translokon-assoziierter Rezeptor für Substrate der Posttranslokation, und damit der PräS-Region, dienen. Sec63 könnte mit seiner J-Domäne BiP zum Translokon rekrutieren und daraufhin dessen Substrat-bindende Aktivität stimulieren. BiP würde dann, einer molekularen Ratsche gleich, die PräS-Region durch wiederholtes Binden und Freisetzen aktiv in das ER-Lumen hereinziehen, bis eine stabile duale Topologie des L-Hüllproteins ausgebildet ist. Die Bedeutung von Sec62 und Sec63 für den HBV - Lebenszyklus wird dadurch untermauert, dass sowohl die ektopische Expression als auch die Depletion des endogenen Sec63 die Freisetzung L-haltiger SVP deutlich reduziert. rn

Ruolo della Interleuchina-6 nella colite ulcerosa long-standing: regolazione della p53 ed induzione delle cellule mesenchimali epiteliali

L’infiammazione cronica è un fattore di rischio di insorgenza del cancro, e la citochina infiammatoria IL-6 gioca un ruolo importante nella tumorigenesi. In questo studio abbiamo dimostrato che L’IL-6 down-regola l'espressione e l'attività di p53. In linee cellulari umane, IL-6 stimola la trascrizione dell’rRNA mediante espressione della proteina c-myc a livello post-trascrizionale in un meccanismo p38MAPK-dipendente. L'up-regolazione della biogenesi ribosomiale riduce l'espressione di p53 attraverso l'attivazione della via della proteina ribosomale-MDM2. La down-regolazione di p53 produce l’acquisizione di modifiche fenotipiche e funzionali caratteristiche della epitelio mesenchimale di transizione, un processo associato a trasformazione maligna e progressione tumorale. I nostri dati mostrano che questi cambiamenti avvengono anche nelle cellule epiteliali del colon di pazienti affetti da colite ulcerosa, un esempio rappresentativo di una infiammazione cronica soggetta a trasformazione neoplastica, che scompaiono dopo trattamento con farmaci antinfiammatori. Questi risultati svelano un nuovo effetto oncogenico indotto dall’IL-6 che può contribuire notevolmente ad aumentare il rischio di sviluppare il cancro non solo in pazienti con infiammazioni croniche, ma anche in quei pazienti con condizioni patologiche caratterizzate da elevato livello di IL-6 nel plasma, quali l'obesità e e il diabete mellito di tipo 2.

Regulation der Selenoproteinsynthese durch den Mevalonatweg

Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Einfluss des Mevalonatpfads auf die Expression von Selenoproteinen untersucht werden. Im Mevalonatpfad, einem universellen Stoffwechselweg eukaryontischer Zellen, entstehen neben Cholesterol auch verschiedene Isoprenoide, die z.B. für die post-transkriptionelle Modifikation der Selenocystein-tRNA herangezogen werden. Selenocystein ist funktioneller Bestandteil von Selenoproteinen, welche häufig in den Abbau von oxidativem Stress involviert sind. rnDer Mevalonatpfad wird hauptsächlich durch die HMG-CoA-Reduktase (HMGCR) reguliert. Pharmaka vom „Statin“-Typ gelten als wirkungsvolle kompetitive Inhibitoren dieses Enzyms und finden ihren Einsatz bei Patienten zur Behandlung von Hypercholesterolämie, welche eine Grundlage für vaskuläre Krankheiten bildet. Trotz der allgemein guten Verträglichkeit der Statine treten jedoch auch unerwünschte Nebeneffekte, wie Erhöhung der Leberenzyme oder Myopathien auf, deren biochemischer Hintergrund bislang noch im Dunkeln liegt. rnDie in dieser Arbeit durchgeführten Experimente belegen, dass Atorvastatin, Cerivastatin und Lovastatin in klinisch relevanten Dosen die Synthese bestimmter Selenoproteine, wie der Glutathionperoxidase (GPx), in klonalen humanen Hepatocyten post-transkriptionell unterdrücken, wodurch die Zellen anfälliger für oxidativen Stress in Form von Peroxiden werden. Dieser Mechanismus könnte eine Erklärung für die häufig beobachteten abnormen Leberwerte von Statin-behandelten Patienten darstellen.rnEndogenes Cholesterol gilt ebenfalls als potenter Inhibitor der HMGCR. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass Cholesterol in verschiedenen Formen, als Low-Density-Lipoprotein (LDL), als 25-Hydroxycholesterol, und als Methylcyclodextrin-Komplex in unterschiedlichen humanen Zelltypen die Selenoproteinsynthese ebenfalls unterdrücken. Der negative Zusammenhang zwischen Cholesterol und bestimmten Selenoproteinen konnte auch in vivo beobachtet werden. In juvenilen Mäusen konnte gezeigt werden, dass ein Knockout des LDL-Rezeptors sowie auch ein Knockout von Apolipoprotein E zu einer Senkung des Lebercholesterols führte, was in einer Zunahme der GPx in der Leber resultierte.rnDie vorliegenden Daten belegen erstmals einen direkten und funktionellen Zusammenhang zwischen dem Mevalonatpfad und der Selenoproteinsynthese. Unterdrückung dieses Pfades, entweder durch exogene Substanzen wie Statine, oder durch endogene Substanzen wie Cholesterol, hat offenbar zur Folge, dass essentielle Zwischenprodukte für die Modifizierung der Selenocystein-tRNA fehlen, was in einer post-transkriptionellen Verminderung der induzierbaren Selenoproteine resultiert. Dies könnte die biochemische Grundlage für einen Teil der vielfältigen gesundheitlich negativen Auswirkungen schon geringfügig erhöhter Cholesterolspiegel sein.

Composti perfluorurati: Valutazione degli effetti biologici e molecolari in modelli cellulari

L’acido perfluorottanoico (PFOA) e l’acido perfluoronanoico (PFNA) sono composti perfluorurati (PFCs) comunemente utilizzati nell’industria, negli ultimi 60 anni, per diverse applicazioni. A causa della loro resistenza alla degradazione, questi composti sono in grado di accumularsi nell’ambiente e negli organismi viventi, da cui possono essere assunti in particolare attraverso la dieta. Le esistenti evidenze sugli effetti dell’esposizione negli animali, tra cui la potenziale cancerogenicità, hanno accresciuto l’interesse sui possibili rischi per la salute nell’uomo. Recenti studi sull’uomo indicano che i PFC sono presenti nel siero, con livelli molto alti soprattutto nei lavoratori cronicamente esposti, e sono associati positivamente al cancro al seno e alla prostata. Inoltre, sono state riportate proprietà estrogen-like e variazioni nei livelli di metilazione sui promotori di alcuni geni. L’esposizione in utero è stata associata positivamente a ipometilazione globale del DNA nel siero cordonale. L’obiettivo di questo studio è stato quello di indagare gli effetti dell’esposizione a questi perfluorurati su linee cellulari tumorali e primarie umane (MOLM-13, RPMI, HEPG2, MCF7,WBC, HMEC e MCF12A), appartenenti a diversi tessuti target, utilizzando un ampio range di concentrazioni (3.12 nM - 500 μM). In particolare, si è valutato: la vitalità, il ciclo cellulare, l’espressione genica, la metilazione globale del DNA e la metilazione gene specifica. Dai risultati è emerso come entrambi i perfluorurati abbiano effetti biologici: PFOA presenta un effetto prevalente citostatico, PFNA prevalentemente citotossico. L’effetto è, però, prevalente sulle linee cellulari primarie di epitelio mammario (HMEC, MCF12A), anche a concentrazioni riscontrate in lavoratori cronicamente esposti (≥31,25 µM). Dall’analisi su queste cellule primarie, non risultano variazioni significative della metilazione globale del DNA alle concentrazioni di 15,6 e 31,25 µM. Emergono invece variazioni sui geni marcatori del cancro al seno, del ciclo cellulare, dell’apoptosi, del pathway di PPAR-α e degli estrogeni, ad una concentrazione di 31,25 µM di entrambi i PFCs.

Untersuchungen zum Einfluss von NBN, ATM und ATR auf die Alkylanzien-induzierte Toxizität

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der DNA-Reparaturenzyme NBN, ATM und ATR, die wichtige Funktionen während der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs) besitzen, auf die Alkylanzien-induzierte Toxizität untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass verschiedene menschliche Zelllinien, welche eine Beeinträchtigung in einem dieser drei Gene aufweisen, eine erhöhte Sensitivität gegenüber N-Methyl-N'-Nitro-N-Nitrosoguanidin (MNNG) und dem Chemotherapeutikum Temozolomid (TMZ) zeigen. Da das DNA-Reparaturenzym MGMT die Zellen vor der Induktion des Zelltods schützt, kann geschlussfolgert werden, dass die Hypersensitivität der mutierten Zelllinien auf die O6-MeG-Läsion zurückzuführen ist. Es konnte gezeigt werden, dass Mutationen von NBN oder ATM nicht zu einer verminderten Kapazität der Basen-Exzisions-Reparatur (BER) führen. Somit ist die erhöhte Sensitivität der mutierten Zellen sehr wahrscheinlich auf eine verminderte Reparatur der DSBs zurückzuführen, welche durch die O6-MeG-Läsion induziert werden. Damit konnte NBN, ATM und ATR als neue Faktoren in der Abwehr gegen Alkylanzien-induzierte Toxizität identifiziert werden. Dies ist von großer klinischer Bedeutung, da einerseits die drei Proteine als therapeutisches Angriffsziel Bedeutung gewinnen und andererseits verschiedene Tumore, die in der Klinik mit alkylierenden Agenzien behandelt werden, Mutationen in diesen Genen tragen.rnrnWeiterhin wurde beobachtet, dass NBN- und ATM-defiziente Zellen nach Behandlung mit methylierenden Agenzien eine ungewöhnlich hohe Nekrose-Rate aufweisen. Es konnte gezeigt werden, dass diese unabhängig von einer PARP1-Aktivierung induziert wird. Dennoch wurde in den NBN- und ATM-mutierten Zelllinien im Gegensatz zum Wildtyp eine sehr starke Verminderung der ATP-Menge nach MNNG-Behandlung beobachtet. Diese wird durch das Fehlen einer effektiven Aktivierung der AMP-Kinase in diesen Zellen verursacht. Somit kann angenommen werden, dass die hohe Nekrose-Rate auf eine ATP-Depletion zurückzuführen ist, welche durch die nicht ausreichende AMP-Kinase-Aktivierung in diesen Zellen bedingt wird. Daher konnte NBN und ATM als Faktoren des zellulären Schutzes gerichtet gegen die Induktion der „programmierten Nekrose“ identifiziert werden. Dies ist ebenfalls von klinischer Bedeutung. Tragen Tumorzellen von Tumoren, welche mit methylierenden Agenzien behandelt werden, Mutationen in einem dieser Gene, so muss mit einer vermehrten Induktion von Nekrose und daher mit einer Stimulierung des Immunsystems während der Chemotherapie gerechnet werden. Dies wäre einerseits mit erhöhten Nebenwirkungen, die sich insbesondere durch Entzündungsreaktionen äußern, verbunden. Andererseits zeigen verschiedene Arbeiten, dass die Stimulation des Immunsystems durch sterbende Tumorzellen während der Chemotherapie die Tumorregression positiv beeinflussen kann.

Evaluation eines humanisierten Mausmodells der allergischen Atemwegsentzündung

Aus der zunehmenden Prävalenz allergischer Erkrankungen vor allem in den Industrienationen ergibt sich ein erhöhter Bedarf an Grundlagenforschung im Bereich von Allergie und Asthma sowie der Entwicklung innovativer Therapiestrategien. In der vorliegenden Dissertation wurden die immundefizienten Mausstämme NOD-Scid und NOD-Scid gc als vielversprechender translationaler Schritt zwischen dem reinen Tiermodell und der Erprobung neuer Therapieansätze an Probanden in klinischen Studien beleuchtet. Im experimentellen Verlauf der Arbeit wurde ein humanisiertes Mausmodell der allergischen Atemwegsentzündung zunächst in immundefizienten NOD-Scid und darauffolgend in NOD-Scid gc Mäusen etabliert. Diese Mausstämme zeichnen sich durch das Nichtvorhandensein von B- und T-Zellen aus. Im NOD-Scid gc Stamm resultiert aus einer zusätzlichen Mutation des Gens für die gamma-Kette des IL-2 Rezeptors der Verlust von natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), was die Immunität in diesem Stamm weiter herabsetzt und eine Humanisierung erleichtert. Die Humanisierung der Mäuse erfolgte durch die intraperitoneale Injektion von mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs), die unter Anwendung der Ficoll-Dichtezentrifugation aus dem Blut von Probanden isoliert wurden. Für die Gewinnung der PBMCs wurden zum einen Asthma-Patienten mit einer hochgradigen Sensibilisierung gegen Birkenpollen herangezogen. Zum anderen wurden in Kontrollexperimenten PBMCs nicht-allergischer Probanden verwendet. Während sich für den NOD-Scid Stamm 80 Millionen PBMCs als angemessene Transferzahl erwiesen, reichten für die Rekonstitution des NOD-Scid gc Stammes 5 Millionen PBMCs aus. Eine Analyse der Tiere erfolgte 24 Tage nach Injektion der humanen Zellen. Der Transfer der PBMCs allergischer Asthmatiker führte besonders nach additiver Applikation des Birkenallergens sowie des humanen rekombinanten Zytokins IL-4 und darauffolgender nasaler allergener Provokation zu einer starken pulmonalen Entzündung in den Mäusen. Die nasale Allergenprovokation an den Tagen 20-22 nach PBMC-Transfer erwies sich für das Aufkommen der Inflammation als unbedingt erforderlich. Die nasale Provokation mit Phosphat-gepufferter Salzlösung (PBS) mündete in einer herabgesetzten Inflammation ohne Ausprägung einer Atemwegsüberempfindlichkeit (AHR), reduzierten Zellzahlen in der bronchoalveolären Lavage (BAL) sowie verminderten Frequenzen humaner Zellen in den Lungen von Versuchstieren, die mit atopischen PBMCs supplementiert mit Birkenallergen und IL-4 rekonstituiert wurden. Die Allergenabhängigkeit des etablierten Modells wurde anhand von Experimenten untermauert, die verdeutlichten, dass ein Transfer von PBMCs nicht-allergischer Probanden trotz Zugabe des Allergens und humanem IL-4 keine Atemwegsinflammation auslöste. Bei den humanen Zellen, die an Tag 24 nach Rekonstitution in den Mäusen detektiert werden konnten, handelte es sich hauptsächlich um T-Zellen. Innerhalb dieser CD3+ T-Zellen konnten CD4+ und CD8+ T-Zellen differenziert werden. Depletionsexperimente, in denen nach Gewinnung der PBMCs aus dem Blut der Probanden verschiedene T-Zellsubpopulationen (CD3+, CD4+, CD8+) eliminiert wurden, führten zu dem Befund, dass die allergische Atemwegsentzündung in dem System von humanen CD4+ T-Zellen abhängig war. Nach der Etablierung des humanisierten Mausmodells der allergischen Atemwegsentzündung wurde das System zur Analyse des suppressionsfördernden Potentials des HIV-1 - Hüllproteins gp120 genutzt. Die Applikation von gp120 führte zu einer Reduktion der Atemwegsinflammation. Dies äußerte sich in einer Aufhebung der AHR, verminderten Zellzahlen in der BAL sowie dem reduzierten Einstrom humaner T-Zellen in die Lungen der rekonstituierten Tiere. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die anti-inflammatorische Wirkung des gp120 strikt von der Anwesenheit regulatorischer T-Zellen (Tregs) innerhalb der für die Humanisierung genutzten PBMCs abhängig war. Eine Depletion der Tregs vor Transfer in die Mäuse führte zum Verlust der anti-inflammatorischen Effekte des gp120. Diese Ergebnisse sprechen für die Modulation regulatorischer T-Zellen als hoffnungsvolle Maßnahme in der Behandlung allergischer Erkrankungen. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen innovative Ansätze zur Analyse neuer Therapiestrategien in einem Testsystem, dass die Erforschung humaner Zellinteraktionen sowie die Wirkung potentieller Arzneistoffe auf humane Zellen unter in vivo Bedingungen erlaubt.

Self-reactivity in the dimeric intravenous immunoglobulin fraction

Therapeutic intravenous immunoglobulin (IVIg) preparations contain antibodies reflecting the cumulative antigen experience of the donor population. IVIg contains variable amounts of monomeric and dimeric IgG, but there is little information available on their comparative antibody specificities. We have isolated highly purified fractions of monomeric and dimeric IgG by size-exclusion chromatography. Following treatment of all fractions at pH4, analyses by immunodot and immunocytology on human cell lines showed a preferential recognition of autoantigens in the dimeric IgG fraction. Investigation of the HEp-2 cytoplasmic proteome by 2D-PAGE, Western blot, and subsequent identification of IVIg reactive spots by mass spectrometry (LC-MS/MS) showed that IVIg recognized only a restricted set of the total proteins. Similar experiments showed that more antigens were recognized by the dimeric IgG fraction, especially when the dissociated dimer fraction was used, as compared to its monomeric counterpart. These observations are consistent with idiotype-anti-idiotype masking of auto-specific Abs in the dimeric fraction of IVIg.

Interactions between cyclosporin A, low-density lipoprotein and the low-density lipoprotein receptor

Cyclosporine A (CSA) is a cyclic eleven amino acid, lipophilic molecule used therapeutically as an immunosuppressive agent. Cyclosporine can specifically inhibit the transcription of a number of different genes. It is known that CSA is bound almost exclusively to lipoproteins in plasma, however, the relationship between the low density lipoprotein (LDL), the LDL receptor, and CSA has not been fully elucidated. The exact mechanism of cellular uptake of CSA is unknown, but it is believed to be by simple passive diffusion across the cell membrane. In addition, it has been recently shown that the frequent finding of hypercholesterolemia seen in patients treated with CSA can be explained by a CSA-induced effect. The mechanism by which CSA induces hypercholesterolemia is not known. We have used an LDL receptor-deficient animal model, the Watanabe Heritable Hyperlipidemic (WHHL) rabbit to investigate the role of LDL and the LDL receptor in the cellular uptake of CSA. Using this animal model, we have shown that CSA uptake by lymphocytes is predominantly LDL receptor-mediated. Chemical modification of apoB-100 on LDL particles abolishes their ability to bind to the LDL receptor. When CSA is incubated with modified LDL much less is taken-up than when native LDL is incubated with CSA. Treatment of two human cell lines with CSA results in a dose-dependent decrease in LDL receptor mRNA levels. Using a novel transfection system involving the 5$\sp\prime$-flanking region of the LDL receptor gene, we have found that CSA decreases the number of transcripts, but is dependent on whether or not cholesterol is present and the stage of growth of the cells. ^

Cytochrome P450 Regulation by -Tocopherol in Pxr-Null and PXR-Humanized Mice

The pregnane X receptor (PXR) has been postulated to play a role in the metabolism of α-tocopherol owing to the up-regulation of hepatic cytochrome P450 (P450) 3A in human cell lines and murine models after α-tocopherol treatment. However, in vivo studies confirming the role of PXR in α-tocopherol metabolism in humans presents significant difficulties and has not been performed. PXR-humanized (hPXR), wild-type, and Pxr-null mouse models were used to determine whether α-tocopherol metabolism is influenced by species-specific differences in PXR function in vivo. No significant difference in the concentration of the major α-tocopherol metabolites was observed among the hPXR, wild-type, and Pxr-null mice through mass spectrometry-based metabolomics. Gene expression analysis revealed significantly increased expression of Cyp3a11 as well as several other P450s only in wild-type mice, suggesting species-specificity for α-tocopherol activation of PXR. Luciferase reporter assay confirmed activation of mouse PXR by α-tocopherol. Analysis of the Cyp2c family of genes revealed increased expression of Cyp2c29, Cyp2c37, and Cyp2c55 in wild-type, hPXR, and Pxr-null mice, which suggests PXR-independent induction of Cyp2c gene expression. This study revealed that α-tocopherol is a partial agonist of PXR and that PXR is necessary for Cyp3a induction by α-tocopherol. The implications of a novel role for α-tocopherol in Cyp2c gene regulation are also discussed.

REV7 counteracts DNA double-strand break resection and affects PARP inhibition

Error-free repair of DNA double-strand breaks (DSBs) is achieved by homologous recombination (HR), and BRCA1 is an important factor for this repair pathway. In the absence of BRCA1-mediated HR, the administration of PARP inhibitors induces synthetic lethality of tumour cells of patients with breast or ovarian cancers. Despite the benefit of this tailored therapy, drug resistance can occur by HR restoration. Genetic reversion of BRCA1-inactivating mutations can be the underlying mechanism of drug resistance, but this does not explain resistance in all cases. In particular, little is known about BRCA1-independent restoration of HR. Here we show that loss of REV7 (also known as MAD2L2) in mouse and human cell lines re-establishes CTIP-dependent end resection of DSBs in BRCA1-deficient cells, leading to HR restoration and PARP inhibitor resistance, which is reversed by ATM kinase inhibition. REV7 is recruited to DSBs in a manner dependent on the H2AX-MDC1-RNF8-RNF168-53BP1 chromatin pathway, and seems to block HR and promote end joining in addition to its regulatory role in DNA damage tolerance. Finally, we establish that REV7 blocks DSB resection to promote non-homologous end-joining during immunoglobulin class switch recombination. Our results reveal an unexpected crucial function of REV7 downstream of 53BP1 in coordinating pathological DSB repair pathway choices in BRCA1-deficient cells.

Lupane triterpenes from the leaves of the tropical rain forest tree Hopea odorata Roxb. and their cytotoxic activities, supplementary information

Chromatographic fractionation of the cytotoxic n-hexane extract of Hopea odorata Roxb. leaves led to the isolation of eight lupane triterpenes, which constitutes the first report of lupane-type triterpenes from this plant source. Furthermore, 3,30-dioxolup-20(29)-en-28-oic acid (6) was isolated for the first time from a natural source. Their structures were determined on the basis of spectroscopic methods, including 2D NMR analysis, and by comparison of their spectral data with literature values. Complete NMR assignments of the 1H and 13C NMR data were achieved for all compounds. Finally, the cytotoxic activities of the isolated compounds against four human cell lines (PC3, MDA-MB-231, HT-29 and HCT116) was also reported.

Interleukin 12 and B7-1 costimulatory molecule expressed by an adenovirus vector act synergistically to facilitate tumor regression

Stimulation of antitumor immune mechanisms is the primary goal of cancer immunotherapy, and accumulating evidence suggests that effective alteration of the host–tumor relationship involves immunomodulating cytokines and also the presence of costimulatory molecules. To examine the antitumor effect of direct in vivo gene transfer of murine interleukin 12 (IL-12) and B7-1 into tumors, we developed an adenovirus (Ad) vector, AdIL12–B7-1, that encodes the two IL-12 subunits in early region 1 (E1) and the B7-1 gene in E3 under control of the murine cytomegalovirus promoter. This vector expressed high levels of IL-12 and B7-1 in infected murine and human cell lines and in primary murine tumor cells. In mice bearing tumors derived from a transgenic mouse mammary adenocarcinoma, a single intratumoral injection with a low dose (2.5 × 107 pfu/mouse) of AdIL12–B7-1 mediated complete regression in 70% of treated animals. By contrast, administration of a similar dose of recombinant virus encoding IL-12 or B7-1 alone resulted in only a delay in tumor growth. Interestingly, coinjection of two different viruses expressing either IL-12 or B7-1 induced complete tumor regression in only 30% of animals treated at this dose. Significantly, cured animals remained tumor free after rechallenge with fresh tumor cells, suggesting that protective immunity had been induced by treatment with AdIL12–B7-1. These results support the use of Ad vectors as a highly efficient delivery system for synergistically acting molecules and show that the combination of IL-12 and B7-1 within a single Ad vector might be a promising approach for in vivo cancer therapy.